堅硬黏性土遇水膨脹和軟化工程特性研究

黃雄，黃豹，徐寒平

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 問題的提出

隨著海外業(yè)務的開展，項目地域越來越廣，遇到的各種具有特殊工程性質(zhì)的土類也越來越多；同時，對這些特殊性土進行室內(nèi)土工試驗時遇到的問題也越來越多；遇水膨脹和軟化的堅硬黏性土就是其中一種。

這類土野外勘察中一般描述為灰色或深灰色，濕—飽和，硬—很硬狀態(tài)、極致時呈半巖半土狀，有時（局部）含膠結(jié)硬塊或砂、礫，具有突出的結(jié)構性和高強度低壓縮的特性，一般分類定名為黏土或粉質(zhì)黏土；其遇水易膨脹、軟化，比如喀麥隆克里比地區(qū)低飽和度的堅硬粉質(zhì)黏土、安哥拉洛比托地區(qū)的飽和堅硬黏土等。

在工程實踐中，巖土工程設計單位對這類堅硬黏性土常會關注如下幾方面問題：1）遭遇水浸泡后，強度是否會大幅度的降低？2）室內(nèi)強度試驗中，采用標準方法進行試樣飽和和施加圍壓與現(xiàn)場實際情況的差別，將會多大程度地影響強度的大??？

本文以國外某工程堅硬黏性土為例，深入探討其遇水膨脹、軟化的特性與規(guī)律，進行一系列的特殊和常規(guī)試驗。

2 研究現(xiàn)狀

目前，堅硬黏性土遇水膨脹性的研究主要集中在其定義和分類、基本指標和微觀特征、區(qū)域性膨脹土及其形成變化規(guī)律、膨脹土的邊坡穩(wěn)定性評價以及災害防治和加固技術、膨脹土路堤和筑壩技術、膨脹土地基及其處理、土質(zhì)改良的理論和方法、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究的新技術和新方法[1-3]等。

膨脹性土的判別指標較多，但總的來說可分為2 類：一類是反映土的加卸載、遇水等條件下的變形特性；一類是反映土的成分與親水性。前一類指標能直觀地反映土的膨脹性，但測定的方法受到較多的限制，需要取得原狀樣進行試驗；后一類指標以反映土顆粒的基本特性為主，擾動土樣亦可測定，測定條件亦簡便易行。自由膨脹率在一定程度上反映了黏土礦物、黏粒含量和交換陽離子成分等基本特性，但人們常常發(fā)現(xiàn)：自由膨脹率與膨脹勢之間的關系未必能較好地對應。這主要是因為這種方法破壞了黏土的結(jié)構，而如果把曲永新等[4]提出的利用泥質(zhì)巖的不規(guī)則塊狀樣品的干燥飽和吸水率指標進行膨脹勢判別與自由膨脹率聯(lián)合使用，可以得到比較滿意的效果。曲永新和付景春等[5]以有效蒙脫石含量來判別膨脹土與非膨脹土的界限值，分別為8%～10%和大于7%，二者結(jié)果接近。按土中有效蒙脫石含量進行土的膨脹勢分級：小于10%為非膨脹性土、10%～15%為弱膨脹性土、15%～20%為中等膨脹性土、大于20%為強膨脹性土[4-5]。也有人采用塑性圖進行膨脹性的判別，膨脹土可按在塑性圖中的位置劃分為強、中、弱3 個等級。液限和塑性指數(shù)時土工常規(guī)指標，既能反映影響脹縮性的物質(zhì)成分，又能在一定程度上反映控制脹縮性的滲透吸附結(jié)合水的發(fā)育程度。因此，與膨脹率試驗相比，塑性圖更為簡便易行。有文獻在塑性圖的基礎上將塑性指數(shù)Ip、自由膨脹率Fs作為縱坐標、液限WL、自由膨脹率Fs作為橫坐標，建立膨脹性土分類圖，使得判別的偏差較小[5-6]。

從已閱的文獻來看，目前國內(nèi)外巖土工程界對堅硬黏性土的工程特性雖然有了廣泛地關注并取得了許多研究成果[7]，但對堅硬黏性土的遇水膨脹與軟化特性，尤其是軟化特性研究較少，對膨脹與軟化特性的定量試驗研究更少，需要做進一步的工作。

3 試驗與分析

3.1 試驗方法

鉆探試樣在取樣、保存、運輸、制樣和裝樣過程中嚴禁與水發(fā)生接觸，以免發(fā)生吸水膨脹和盡可能地減小應力釋放；試樣均采用蠟封，不允許水分流失；運送采用人員隨身攜帶，盡量避免擾動，并選擇具有經(jīng)驗豐富的試驗人員進行制樣和試驗。

本次室內(nèi)試驗包括常規(guī)試驗和特殊試驗，常規(guī)試驗即按標準或規(guī)范要求進行的試驗，執(zhí)行GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[8]。特殊試驗為執(zhí)行非標準或非規(guī)范的試驗，是為研究樣品某一特殊性質(zhì)而專門設計的試驗。

本次共安排了2 種室內(nèi)土工特殊試驗：1）限制膨脹泡水快剪試驗：將試樣在限制膨脹的情況下進行泡水。具體作法是：在直剪預壓儀上施加200 kPa 荷載作用于擱置在環(huán)刀上的透水石表面，以用來限制試樣的遇水膨脹，同時也不允許試樣發(fā)生壓縮變形；往容器中注水，對試樣分別浸泡2 d、4 d 或8 d，然后按GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行快剪試驗。2）泡水固結(jié)快剪試驗：在直剪預壓儀上對試樣進行加壓固結(jié)，固結(jié)壓力施加后往容器中注水，將試樣分別在泡水狀態(tài)下固結(jié)2 d、4 d 或8 d，固結(jié)結(jié)束后按GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行快剪試驗。

3.2 特殊試驗安排

特殊試驗具體安排如表1 所示。

表1 室內(nèi)特殊試驗具體安排一覽表Table 1 Detailed arrangement for laboratory special tests

3.3 成果分析

特殊試驗和常規(guī)試驗得到的樣本物理性質(zhì)指標統(tǒng)計成果見表2 和表3。從表2、表3 中看到，無論是特殊試驗樣本之間，還是常規(guī)試驗樣本之間，亦或是兩者樣本之間，物理性質(zhì)各指標的變異系數(shù)較小，因而能夠進行對其力學性質(zhì)指標之間的對比和分析。

表2 特殊試驗樣本物理性質(zhì)統(tǒng)計Table 2 Physical properties of samples for special tests

表3 常規(guī)試驗樣本物理性質(zhì)統(tǒng)計Table 3 Physical properties of samples for conventional tests

3.3.1 限制膨脹泡水快剪試驗

按垂直壓力的不同（100kPa、200kPa、300kPa或400 kPa），將泡水時間的長短（0 d、2 d、4 d、8 d）與限制膨脹泡水快剪試驗極限剪應力的關系作圖，見圖1。泡水天數(shù)為0 d 的情況即常規(guī)試驗，各級壓力下的極限抗剪強度取樣本的平均值。

圖1 不同垂直壓力下的泡水天數(shù)和快剪強度關系曲線Fig.1 Relationship between soaking days and direct quick shear strength under different vertical pressures

從圖1 可以看到：1）雖然泡水過程中采取了限制膨脹的措施，但隨著泡水時間的增加，強度仍呈現(xiàn)出降低的趨勢，泡水8 d 的平均降低值為49.4 kPa；2）僅從圖上來看，強度的降低主要發(fā)生在泡水4 d 以內(nèi)，4 d 后趨于穩(wěn)定，但此結(jié)論尚應綜合考慮試樣尺寸大小、水頭壓力和限制膨脹等條件，不能簡單應用于現(xiàn)場情況；3）從試樣試驗后的含水率測試結(jié)果來看，飽和度由天然條件下的平均66.7%，變?yōu)榕菟蟮钠骄?0.7%；即使泡水8 d，試樣仍尚遠未達到100%。

按不同的泡水時間（0 d、2 d、4 d、8 d）作強度包絡線，各級壓力下的極限抗剪強度取樣本的平均值，見圖2；得到不同泡水天數(shù)條件下的快剪強度指標見表4。

圖2 不同泡水天數(shù)條件下的快剪強度包絡線Fig.2 Envelope of direct quick shear strength under different soaking days

表4 不同泡水天數(shù)條件下的快剪強度指標Table 4 Index of direct quick shear strength under different soaking days

從圖2 和表4 中可以看到：隨著泡水時間的增加，內(nèi)聚力（Cq值）減小較為明顯，平均減小值為38.6 kPa；而內(nèi)摩擦角（Φq值）基本上無變化，R為相關系數(shù)。

含水率無疑對土的強度影響較大，有文獻從黏土礦物吸水膨脹與崩解、離子交換吸附作用、水巖微觀力學作用、易溶性礦物的溶解作用、非線性化學動力學機制等因素對此進行了分析[9-10]。不管何種因素起主導作用，從結(jié)果來看，此類硬土的強度確實得到了較大程度的降低。

3.3.2 泡水固結(jié)快剪試驗

按垂直壓力的不同（100 kPa、200 kPa、300 kPa或400 kPa），將泡水時間的長短（0 d、2 d、4 d、8 d）與泡水固結(jié)快剪試驗極限抗剪強度的關系作圖，如圖3 所示。泡水天數(shù)為0 d 的情況即常規(guī)試驗，各級壓力下的極限抗剪強度取樣本的平均值。

圖3 不同垂直壓力下的泡水天數(shù)和固快強度關系曲線Fig.3 Relationship between soaking days and consolidated quick shear strength under different vertical pressures

從圖3 中可以看到：采用泡水固結(jié)快剪試驗，由于泡水發(fā)生在垂直壓力施加之后，水進入土中產(chǎn)生軟化所需的時間較長，故泡水2 d 和4 d 時強度基本上不降低；泡水8 d 時，強度呈現(xiàn)出降低的趨勢，平均降低值為14.0 kPa。

按不同的泡水時間（0 d、2 d、4 d、8 d）作強度包絡線，各級壓力下的極限抗剪強度取樣本的平均值，見圖4；得到不同泡水天數(shù)條件下的快剪強度指標見表5。

圖4 不同泡水天數(shù)條件下的固快強度包絡線Fig.4 Envelope of consolidated quick shear strength under different soaking days

表5 不同泡水天數(shù)條件下的固快強度指標Table 5 Index of consolidated quick shear strength under different soaking days

從圖4 中可以看到：隨著泡水時間的增加，內(nèi)聚力（Cq值）和內(nèi)摩擦角（Φq值）基本上均無減小的趨勢。

對兩者強度無差別現(xiàn)象的理解為：一方面，由于泡水的時間是在固結(jié)開始之后，且泡水時間不是很長，此時試樣由于受到垂直壓力，除了表面一定深度，水無法大量進入到試樣的內(nèi)部，含水率基本上無變化，使得強度也基本上無變化，這是主要的原因；另一方面，與快剪試驗不同的是，固結(jié)快剪試驗在固結(jié)過程中將對硬土的結(jié)構性和含水率等進行重新調(diào)整，故泡水的影響也將隨之變小。

這也就說明，在工程實踐中，如果能夠在開挖過程中，在水大量滲入土體深部之前便作好防水措施并及時澆筑基礎，則土體強度由于泡水降低的影響不大。此外，在構筑物建成以后，由于垂直壓力對水滲入的阻礙作用，水滲入的深度有限，土體的強度也不會大幅度地降低。

一般認為，當土遇水發(fā)生膨脹或軟化現(xiàn)象時，其表面的隆起量將隨著浸水深度和面積成反比例地增大；不過這種增大仍有一定限度。對地基土而言，土的膨脹或軟化只限于土體自重壓力與膨脹壓力相等的土層深度以上。如果存在較大的外部荷載，則膨脹作用將向下轉(zhuǎn)移到結(jié)構物和土體二者所產(chǎn)生的應力和膨脹力相等的深度以下，位于此深度與基礎底部之間的土體仍表現(xiàn)為壓縮變形。

4 結(jié)語

本文通過室內(nèi)土工試驗進行一系列的特殊和常規(guī)試驗，得到如下結(jié)論：

1）在室內(nèi)試驗中，隨著泡水時間的增加，硬土的強度會呈現(xiàn)出降低的趨勢；

2）泡水強度的降低主要發(fā)生在一段時間以內(nèi)，然后逐漸趨于穩(wěn)定；

3）泡水試驗后的試樣飽和度仍然很低，在有外荷載限制膨脹作用和泡水時間不是很長的情況下，泡水影響的程度有限；

4）隨著泡水時間的增加，限制膨脹泡水快剪條件下的內(nèi)聚力減小，內(nèi)摩擦角基本上無變化；而泡水固結(jié)快剪條件下的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均無變化。

5）在工程實踐中，如果能控制好泡水時間和及時施加外部荷載，則土體發(fā)生膨脹/軟化的強度和深度均有限。